Gốc tự do (Free Redical) với quá trình lão hóa và bệnh tật

 Gốc tự do, sự hình thành, tác hại và hóa giải như thế nào?

PGS.TS. Hà Hoàng Kiệm, BV 103

1. Đại cương

1.1. Khái niệm

A type of unstable molecule that contains oxygen and that easily reacts with other molecules in a cell. A build up of reactive oxygen species in cells may cause damage to DNA, RNA, and proteins, and may cause cell death. Reactive oxygen species are free radicals. Also called oxygen radical - Search NCI's Dictionary of Cancer Terms. (Một loại phân tử không ổn định có chứa oxy và dễ dàng phản ứng với các phân tử khác trong một tế bào. Sự tích tụ của các loại oxy phản ứng trong các tế bào có thể gây tổn hại cho DNA, RNA và protein và có thể gây chết tế bào. Các loại oxy phản ứng là các gốc tự do. Còn gọi là gốc oxy).

Anion superoxid  O₂^• 

Một gốc, chính xác hơn, một gốc tự do (Free Radical hay Reactive oxygen species-ROS) là một nguyên tử, phân tử, hay ion có các điện tử (electron) hóa trị lẻ.

Như vậy gốc tự do là những mảnh phân tử (^.CH₃,  OH...), phân tử ( ^•NO, ^•NO₂,  CO₂^•  ...), nguyên tử tự do (^.Cl, ^.Br...) hay ion ( O₂^•...), trung tính hay mang điện tích, có lớp điện tử ngoài cùng chứa một điện tử không ghép cặp (điện tử đơn độc). Chúng có thể mang điện tích dương, âm hoặc không mang điện và cả 3 loại này đều giữ vai trò quan trọng trong hệ thống sinh học. Do có điện tử không ghép cặp ở lớp ngoài cùng nên gốc tự do rất không ổn định cả về năng lượng cũng như điện học, chúng luôn có xu hướng cướp điện tử của các nguyên tử hay phân tử khác để trở về trạng thái ổn định, nhưng lại biến các nguyên tử hoặc các phân tử này trở thành gốc tự do.

Hình 1. Mô hình hoạt động của gốc tự do.

Gốc tự do được ví như một kẻ cô đơn có sức mạnh chuyên đi tranh vợ cướp chồng của người khác, biến họ trở thành những kẻ cô đơn. Đến lượt họ lại trở thành kẻ đi tranh vợ cướp chồng của người khác, cứ thế phá hoại xã hội theo kiểu dây chuyền. Gốc tự do cũng như vậy, chúng cướp điện tử của các phân tử trong cấu trúc tế bào và lại biến các phân tử bình thường thành gốc tự do mới, phản ứng dây chuyền tiếp diễn làm cấu trúc và chức năng của các thành phần tế bào bị phá hủy dẫn tới sự lão hóa, nếu nặng thì tế bào bị chết.  

1.2. Hoạt tính hóa học

Vì có điện tử lớp ngoài cùng không ghép cặp nên gốc tự do rất không ổn định và luôn có xu hướng đạt tới sự ổn định, thời gian tồn tại của gốc tự do rất ngắn và có hoạt tính rất mạnh. Gốc tự do tồn tại càng ngắn càng có độc tính lớn, hoạt tính của gốc tự do tương quan nghịch với thời gian tồn tại của chúng. Gốc tự do có thời gian tồn tại < 10 ^-6 giây là gốc tự do không bền và có độc tính cao, gốc tự do tồn tại > 10^-6 giây là gốc tự do bền, ít độc tính hơn và là tác nhân trung hoà gốc tự do không bền. Gốc tự do khi đạt tới trạng thái ổn định, nó là gốc oxy hoá khử. Ví dụ hoạt động của gốc anion superoxid (O₂^•).

                             O₂^•    +    Cu²⁺       =>          Cu²⁺       +    O₂                                                       

                                                          _{2 H+}

                             O₂^•    +    Fe²⁺     =>       Fe³⁺         +     H₂O₂

Hoặc anion superoxid tự oxy hoá theo phản ứng dị ly:

                                                       _{2 H+}

                              O₂^•    +   O₂^•       =>        H₂O₂       +     O₂

Gốc tự do hoạt động dễ dàng tấn công vào các phân tử tạo ra các phân tử mới, gốc mới và gây ra phản ứng dây chuyền:  

                              R^•     +    R₁H     =>         R^•₁   +  RH              

                              R^•₁   +    R₂- R₃     =>     R^•₃   +  R₁- R₂

Các gốc mới sinh nếu không được trung hoà theo phản ứng “gốc- gốc” để tạo phân tử không gốc thì sẽ tiếp tục chuỗi phản ứng như trên. Các gốc tự do luôn được hình thành từ nhiều con đường khác nhau, gốc này mất đi, các gốc khác lại được sinh ra. Gốc O₂^• (anion superoxid) đóng  vai trò trung tâm trong sự chuyển hoá các chất vì những gốc oxygen hoạt động (ROS: reactive oxygen species) đều được tạo ra từ nó. O₂^•  được tạo ra trong nhiều phản ứng hoá sinh khác nhau trên cơ sở oxy bị khử một điện tử do các enzym xúc tác như NADPH oxidase, xanthine oxidase hoặc có nguồn gốc từ chuỗi hô hấp tế bào như là sản phẩm phụ của quá trình vận chuyển điện tử.

Trong cơ thể những gốc oxy tự do rất không bền, đó là các gốc:

O₂^•  (Anion superoxid)

^•OH (Hydroxyl)

¹O₂  (Singlet oxygen): oxy đơn bội 

H₂O₂  (Hydrogen peroxide): oxy già

Alkoxyl (LO^•)

Peroxyl (LOO^•).

Chu kỳ bán huỷ của các gốc oxygen tự do

Nguồn ROS Superoxidase anion (O2-) Singlet oxygen (1O2) Hydrogen peroxide (H2O2) Hydroxyl (•OH) Alkoxyl (LO•) Peroxyl (LOO•)

Chu kỳ bán huỷ 10-5 giây 10-6 giây vài phút 10-9 giây 10-6 giây vài giây

1.3. Phản ứng tạo ra gốc tự do

1.3.1. Tạo thành anion superoxid

Cơ chất      =>      e^- +  ^•O-O^•     =>     O₂^•     (Superoxid anion)

1.3.2. Tạo thành Hydrogen peroxide (oxy già)

2 O₂^•     + 2 H⁺     =>      O₂     +   H₂O₂  (Hydrogen peroxide)

1.3.3. Tạo thành Hydroxyl và Singlet oxygen (oxy đơn bội)

H₂O₂  +     O₂^•    =>   HO^•  (Hydroxyl)  +   ¹O₂  (Singlet oxygen)  +  OH^-

Fe²⁺      +   H₂O₂      =>      Fe³⁺        +     HO^-        +       ^•OH (Hydroxyl)

1.3.4. Tạo thành Alkoxyl hoặc Peroxyl từ các acis béo nhiều nối đôi

L + O₂^•     =>    O₂   +  LO^•    (Alkoxyl)

L + HO^•    =>   H₂O + LOO^•   (Peroxyl)

Một số phản ứng tạo gốc tự do khác:

1.4. Phản ứng chung hòa gốc tự do

1.4.1. Hệ thống chống oxy hóa có bản chất enzym

1.4.1.1. Enzym superoxid dismutase (SOD)

                                        _SOD

2 O₂^• +  2H⁺             =>       H₂O₂  + O₂

1.4.1.2. Enzym catalase

                                    _Catalase

          H₂O₂­­­­­­­             =>        H₂O +  O₂

 

1.4.1.3. Enzym peroxydase

                                   ^Perosidas              

AH₂  +  H₂O₂           =>             A   +  2 H₂O

1.4.1.4. Glutathione

 

 

 

 

 

   GPx (Glutathione)

1.4.2. Hệ thống chống oxy hoá không có bản chất enzym

1.4.2.1. Nhóm các polyphenol

- Vitamin A:

Các caroten nhờ có hệ liên kết đôi luân phiên trên mạch cacbon dài, một phân tử caroten có thể hấp thu năng lượng của hàng ngàn phân tử ¹O₂ rồi giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt vô hại.

Cấu trúc phân tử vitamin A.

Vitamin A chỉ có trong thức ăn nguồn gốc động vật, đặc biệt có nhiều trong dầu gan cá, gan, thận các động vật có sừng, trong bơ, sữa, lòng đỏ trứng…. Còn carotene (tiền vitamin A) có trong các phần xanh của cây, trong rau, trong rau quả có màu vàng đỏ như carốt, cà chua, ớt, quả mơ, quả gấc, quả bí đỏ,…. Ít nhất là có 10 chất carotene là tiền vitamin A.

- Vitamin E:

 

 

 

 

Cấu trúc phân tử của vi tamin E

R^•  (ROO^•) +  Vitamin E    =>     RH (ROOH)  + Vtamin E^•

R^• (ROO^•) +  Vtamin E^•       = >        RH (ROOH) + Tocopherol quinon

            (RH là các acid béo chưa bão hoà có nhiều nối đôi)

- Bioflavonoid:

Các flavonoid có hoạt tính sinh học được gọi là bioflavonoid do có các nhóm hydroxyl phenolic, nhóm carbonyl, vòng thơm benzen nên chúng có khả năng phản ứng rất lớn, chúng triệt tiêu các gốc tự do sinh ra trong quá trình bệnh lý của cơ thể và tạo nên những gốc tự do của chúng bền vững hơn và không tham gia vào dây chuyền phản ứng gốc.

- Coenzym Q...

Coenzyme Q (ubiquinone) là một loại quinone có đuôi hydrocacbon dài. Đuôi này giúp cho các phân tử CoQ có thể khuếch tán dễ dàng trong lớp màng lipid của ti thể. Cả dạng khử (quinol) và dạng oxy hóa (quinone) của Q có thể di chuyển dễ dàng trong lớp màng lipid. Mỗi lượt coenzyme Q lấy một điện tử từ phức hợp I hoặc II và phân tán vào trong lớp màng ti thể cho đến khi va chạm với phức hợp III - lúc đó điện tử lại được chuyển cho phức hợp III. Chính sự khuếch tán của CoQ cùng với Cytochrome C trong lớp màng ti thể đã đóng vai trò quan trọng trong việc luân chuyển các điện tử đến các phức hợp kế nhau trong chuỗi chuyển điện tử.

            

Cấu trúc phân tử của coenzym q10

Trong chuỗi hô hấp tế bào, từng điện tử được chuyển lần lượt sang một vật mang điện tử tan trong chất béo mang tên ubiquinone (Q), nó khử vật mang này thành ubiquinol (QH₂). QH có thể chuyển động tự do lẫn trong màng sinh chất, và phức hợp I chuyển 4 proton (H⁺) xuyên qua màng sinh chất, điều này tạo ra một thế proton. Phản ứng tổng quát do phức hợp I xúc tác:

NADH + CoQ + 2H⁺ -> NAD⁺ + H⁺ + CoQH₂

Có nhiều dạng khác nhau của coenzyme Q. Chúng khác nhau bởi số lượng của các nhóm con isoprene trong chuỗi bên *. Các loại thường gặp nhất của ty thể của con người là Q10.

Chức năng chính CoQ10 tham gia vận chuyển điện tử trong chuỗi hô hấp tế bào. CoQ10 là chất chống gốc tự do mạnh, các điện tử chỉ liên kết lỏng lẻo với các phân tử CoQ10, do đó nó sẵn sàng cung cấp một hoặc hai điện tử cho các phân tử thiếu điện tử mà không trở thành một gốc tự do. CoQ10 ức chế quá trình oxy hóa của chất béo bằng cách ngăn chặn sự sản xuất các gốc peroxyl lipid.

- Vitamin C:

Vitamin E- O^•   +  Vitamin C _khử    =>  Vitamin E-OH + Vitamin C_{oxy hoá}

 

 

 

 

 

Cấu trúc phân tử của vitamin C

Vitamin C còn có tính chất chống oxy hoá ở môi trường nước như loại hydrogen peroxide, loại bỏ các gốc tự do superoxide (O₂^•), gốc hydroxyl (^•OH) và chặn đứng các phản ứng dây chuyền theo cơ chế gốc tự do.

1.4.2.2. Nhóm các thiol

          Các thiol có cấu trúc RSH (R là gốc hydrocarbon) gồm glutathione, mercaptopropionyl glyxin, N-acetyl cystein.

Các thiol có khả năng trung hoà gốc tự do như  ^•OH tạo ra gốc thiyl

                             R- SH  + HO^•    =>       RS^•  + H₂O

Các gốc thyil (RS^• ) có thể kết hợp với chính nó để tạo thành phức hợp chất disulfur (RS-SR) hoặc trung hoà một gốc oxy hoá khác

                             RS^•    +     O₂      =>        RSO₂^•

- Glutathion:

 

Cấu trúc phân tử của glutathion

Glutathion là một tripeptide (tạo thành từ 3 axit amin: Cysteine, Glutamic và Glycine) có tác dụng vận chuyển một nguyên tử H tới các gốc tự do, hình thành gốc RS^• và gốc này kết hợp cùng gốc khác tạo ra GSSG (glutathion dạng oxy hoá).

                     GSH  + R^•                  =>         GS^•    +   RH

                     GSH  + ROO^•           =>          GS^•   + ROOH

                      2 GS^•                                  =>               GSSG

- Mercaptopropionylglysin:

Chất này đặc biệt có tác dụng tốt trong hội chứng thiếu máu cục bộ, tưới máu lại.

- Nacetylcystein:

Vừa có tác dụng chống oxy hoá, đồng thời có tác dụng tăng sinh tổng hợp glutathion nội bào.

1.4.2.3. Nhóm các phối tử sắt và đồng

Ion sắt và đồng xúc tác phản ứng Fenton, tạo nên hai dạng oxy hoạt động là gốc hydroxyl (^•OH) và oxy đơn bội (¹O₂). Ion sắt nếu tạo được phức chelat qua đủ 6 liên kết phối trí như trong hemoglobin, myoglobin thì không có khả năng xúc tác phản ứng Fenton.

- Transferrin:

Người khoẻ mạnh chỉ cần 20-30% lượng transferrin là đủ làm mất hoạt tính xúc tác của sắt. Khi có quá tải sắt, huyết tương không đủ transferrin và phản ứng Fenton xảy ra rất mạnh.

- Lactoferin:

Làm mất hoạt tính xúc tác của sắt trong các dịch trên.

- Ceruloplasmin:

Là một protein chứa đồng. Nó có khả năng tạo phức với đồng và làm mất hoạt tính xúc tác phản ứng Fenton của đồng, nó cũng oxy hoá Fe²⁺  thành Fe³⁺ , ngăn cản sự tạo thành các gốc oxy hoạt động từ phản ứng Fenton.

1.4.2.4. Selen

Selen là một thành phần của nhiều enzyme, tạo ra các nhóm chức –S-Se, -S-Se-S là những tâm hoạt động sinh học mạnh. GPx chứa selen đặc biệt tập trung nhiều ở gan để hoá giải các chất độc. Selen là một thành phần trong SOD loại bỏ gốc tự do đặc biệt là phá huỷ H₂O₂ , dập tắt các gốc LO^• , LOO^• của acid béo, bảo vệ màng tế bào và ADN.

          Vitamin E phối hợp với selen làm tăng khả năng miễn dịch của cơ thể lên nhiều lần, selen xúc tác cho sự tạo thành các gốc tự do bền (gốc vitamin E), coenzym Q, flavin chống lại các gốc tự do độc hại. Nguyên tố vi lượng selen giúp ngăn ngừa nhiều dạng ung thư, bảo vệ tim mạch, duy trì chức năng hoạt động tích cực của hệ miễn dịch, giải độc nhiều hoá chất. Theo các nghiên cứu người ta thấy rằng có khoảng 40% các loại bệnh tật, đặc biệt là các bệnh ung thư có thể phát sinh chỉ vì thiếu vi lượng selen được cung cấp hàng ngày.

2. Quá trình hình thành các gốc tự do trong cơ thể

Gốc tự do được tạo ra trong cơ thể từ hai nguồn: nguồn nội sinh được tạo ra thường xuyên ở chuỗi hô hấp tế bào. Nguồn ngoại sinh do các tác nhân phóng xạ, hội chứng viêm, thiếu máu cục bộ được tưới máu lại (hiện tượng tái tưới máu), các tác nhân xenobiotic của ô nhiễm môi trường và một số tác nhân khác.

2.1. Chuỗi hô hấp tế bào

Hô hấp tế bào là quá trình chuyển đổi năng lượng. Trong đó, các phân tử carbonhydrat bị phân giải đến CO₂ và H₂O giải phóng năng lượng và chuyển hóa năng lượng đó thành năng lượng dự trữ dưới dạng ATP. Về bản chất chuỗi hô hấp là quá trình oxy hoá sinh học, nhờ vai trò xúc tác của hệ thống các enzym. Hay nói cách khác, nó là một hệ thống các phản ứng oxy hoá khử, trong đó hydro được tách ra từ các chất hữu cơ chuyển đến oxy để tạo thành nước. Việc vận chuyển hydro hay điện tử trong chuỗi hô hấp là do enzym xúc tác. Nơi diễn ra chuỗi hô hấp tế bào là trong ti thể diễn ra qua 3 giai đoạn chính: đường phân, chu trình Crep và chuỗi chuyển điện tử. Phương trình tổng quát của chuỗi hô hấp tế bào như sau :

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ => 6CO₂ + 6H₂O +  Năng lượng (ATP + nhiệt)

Hô hấp tế bào là một chuỗi các phản ứng ôxi hóa khử, trải qua nhiều giai đoạn và năng lượng được sinh ra ở nhiều giai đoạn khác nhau, gồm 3 giai đoạn chính: đường phân, chu trình Crep và chuỗi chuyển điện tử.

           

Hình 2. Chuỗi hô hấp tế bào trong ty thể.

Chuỗi chuyển điện tử diễn ra qua các giai đoạn:

- Phản ứng tổng quát do phức hợp I xúc tác:

      NADH + CoQ + 2H+ -> NAD+ + H+ + CoQH2

- Phản ứng tổng quát do phức hợp II xúc tác:

      Succinate + CoQ -> Fumarate + CoQH2

- Phản ứng tổng quát do phức hợp III xúc tác:

    2Cytochromec2+ + 2H+ + 1/2O2 + 2Cytochromec3+ + H2O

- Phản ứng tổng quát do phức hợp IV xúc tác:

      2 Cyt c2+ + 2 H+ + 1/2 O2 -> 2 Cyt c3+ + H2O

Các tế bào cần năng lượng để hoạt động, quá trình chuyển hóa năng lượng của tế bào cần oxy. Chuỗi hô hấp tế bào sử dụng oxy diễn ra trong các ty thể bao gồm các phản ứng oxy hoá khử để sinh ra nước và năng lượng tích trữ dưới dạng ATP. Trong quá trình chuyển điện tử, các điện tử được di chuyển theo từng cặp (bản chất của phản ứng oxy hoá khử chính là quá trình cho và nhận điện tử), tuy nhiên có một phần nhỏ (chiếm khoảng 5%) của quá trình cho và nhận điện tử, oxy sẽ phản ứng khử đơn hoá trị (nhận 1 điện tử duy nhất) sinh ra anion superoxid (O₂^• ) và các ion này qua phản ứng dị ly sẽ sinh ra (H₂O₂).

Cơ chất      =>     e^-    +  ^•O-O^•     =>         O₂^• 

Những gốc này phản ứng trực tiếp ở môi trường giữa hai lớp phospholipid kép của màng tế bào, khi đó nó làm mất ổn định cấu trúc phospholipoprotein do khử ester và giải phóng ra acid béo.

2 O₂^•  + 2 H⁺   =>  H₂O₂ + O₂

Trong ty thể có một enzym loại được gốc O₂^•  là: mangan superoxide dismutase (Mn-SOD). Nếu còn gốc nào thoát ra bào tương nó sẽ bị loại bỏ bởi enzym Cu-SOD và Zn-SOD và nhờ hai enzym này mà gốc O₂^•  không đến được màng tế bào, vượt ra ngoài tế bào và do vậy dịch ngoại bào hầu như không có SOD.

H₂O₂ thường xuyên sinh ra do sự phân huỷ O₂^•, nồng độ H₂O₂ (10^-8 mol/l) và O₂^•  (10^-12 mol/l) trong tế bào tương đối ổn định. Tuy nồng độ thấp nhưng sự hiện diện đồng thời của chúng trong môi trường sinh học là rất nguy hại. Phản ứng giữa chúng sinh ra những sản phẩm ¹O₂ rất nguy hại và gốc ^•OH với hoạt tính đặc biệt cao, có khả năng phá huỷ những cấu trúc hữu cơ bền vững nhất của cơ thể và gây ra các quá trình bệnh lý.

Khi không có mặt của ion Fe²⁺, Cu²⁺ thì phản ứng này xảy ra chậm, gọi là phản ứng Harber – Weiss (các gốc O₂^•  va đập với H₂O₂ )

            O₂^•  +  H₂O₂        =>            HO^• + HO ^- +  ¹O₂

Khi có mặt của các ion Fe²⁺, Cu²⁺ thì tốc độ phản ứng này xảy ra rất nhanh (được gọi là phản ứng Fenton). Hai tiểu phân O₂^•  và  H₂O₂ có thể tạo ra ¹O₂ , HO^• là những phân tử và gốc có khả năng phản ứng rất cao, dễ dàng phản ứng với các chất hữu cơ tạo ra các peroxid và từ đó tạo ra nhiều sản phẩm độc hại cho tế bào.

                      2 O₂^•  + 2 H^{+              =>}                H₂O₂ + O₂

Và khi đó ion kim loại chuyển tiếp (Fe²⁺, Cu²⁺) dễ dàng phân tách H₂O₂ thành gốc hydroxyl.

                     Fe²⁺  +  H₂O_{2               =>}                HO^• + HO ^- +  Fe³⁺ 

Gốc ^•OH  có khả năng phản ứng mạnh với hầu hết các phân tử sinh học ở tốc độ khuếch tán, vì vậy nó không khuếch tán tới những khoảng cách xa trong tế bào trước khi nó phản ứng. Gốc này có thời gian sống ngắn, có khả năng gây tổn thương lớn, trong phạm vi bán kính nhỏ mà nó gây ra .

2.2. Tác nhân phóng xạ

Các tia phóng xạ hoặc bức xạ có năng lượng cao có khả năng bẻ gẫy một phân tử tạo ra 2 hay nhiều gốc tự do. Trong cơ thể chúng ta chiếm phần lớn là nước do vậy khi các bức xạ năng lượng cao sẽ phân huỷ nước thành các gốc tự do.      

                    R₁-R₂       =>     R₁^•  +  R₂^•  

                    H₂O         =>     ^•OH  + H⁺   + e^-

                    H₂O         =>      H^• +  ^•OH          

          Các gốc ROS được hình thành cả ở trong và ngoài tế bào dưới tác dụng của các tia phóng xạ. Rõ ràng khi bị chiếu xạ, phản ứng gốc tự do xảy ra rất mạnh, trong khi, đối với sự hô hấp tế bào, các gốc tự do chỉ sinh ra trong ty thể và vùng lân cận nên tác hại chỉ tập trung vào ADN và enzyme ở ty thể và một phần nào ở bào tương .

            Trong những trường hợp bình thường, các bức xạ nền có sẵn trong tự nhiên, trong thành phần các tia cực tím, bức xạ mặt trời cũng có thể tạo nên gốc tự do với cường độ rất nhỏ nhưng có thể gây ra tổn hại tích luỹ theo thời gian góp phần gây nên sự lão hoá. Trong trường hợp chiếu xạ của các vụ nổ hạt nhân, cường độ các phản ứng lớn gấp hàng triệu lần so với trong trường hợp hô hấp tế bào nên hậu quả gây ra là rất nghiêm trọng.

2.3. Hội chứng viêm và quá trình thực bào

           Trong hội chứng viêm, bạch cầu đa nhân trung tính thực bào và phân huỷ các phần tử đã thực bào, hiện tượng này kích thích bạch cầu đa nhân trung tính, làm gia tăng tiêu thụ oxy và kích thích enzyme của màng tế bào là NADP – oxidase, gây phản ứng xúc tác bởi enzym này và tạo ra O₂^• (theo Almagor 1984).

                      O₂  + NADPH        =>         O₂^•    + NADP⁺    +  H⁺

                                                                               _{2 H+}                  

                       O₂^•    +     O₂^•          =>        H₂O₂     + O₂

           Sự tạo thành O₂^• và H₂O₂ cùng với tác động của enzym myeloperoxidase của bạch cầu sẽ dẫn đến một loạt phản ứng để tạo ra những chất diệt khuẩn mạnh như hypochlorid và các chloramin. Các gốc tự do hoạt động tác động vào các phân tử được thực bào để phá huỷ chúng. Có sự tăng cường sử dụng oxy trong túi thực bào được gọi là sự bùng nổ hô hấp hay “sốc hô hấp” và O₂ được chuyển thành  O₂^• . Xung quanh túi thực bào, các chất chống oxy hoá, chống gốc tự do, tập trung để bảo vệ bạch cầu. Tuy nhiên do số lượng gốc tự do sinh ra quá nhiều nên một tỷ lệ bạch cầu bị chết, giải phóng các ROS  ra ngoại bào gây nên hiện tượng sưng nóng đỏ đau .

             Khi những tác nhân lạ có kích thước lớn, không thể tạo ra túi thực bào, bạch cầu sẽ bám vào túi dị vật. NADPH oxidase chưa được hoạt hoá mạnh nhưng cũng bị kích thích ở một mức độ nhất định, khi đó sự tiêu thụ O₂ sinh ra lượng O₂^•  lớn hơn nhiều lần so với hô hấp tế bào bình thường. Chính quá trình này gây ra hiện tượng xơ hoá, chai cứng các tế bào xung quanh (hiện tượng mắt cá). Ví dụ như các hạt bụi silic xâm nhập vào phổi sinh ra bệnh bụi phổi silic, bụi amiăng xâm nhập vào phổi gây ra ung thư phổi.

2.4. Thiếu máu cục bộ và tưới máu trở lại (hội chứng tái tưới máu)

            Khi thiếu máu cục bộ do lòng mạch máu bị hẹp hoặc có cục máu đông, các chất xanthine được tích luỹ do tăng thoái hoá ATP và xanthine oxidase được hoạt hoá. Khi có sự tưới máu trở lại, với sự có mặt của oxy, xanthine oxidase xúc tác phản ứng chuyển điện tử từ hypoxanthine và xanthine sang O₂ và phản ứng oxy hoá xảy ra rất mạnh, một lượng lớn gốc O₂^• hình thành lại chuyển thành H₂O₂, ^•OH và  ¹O₂ .   

                                           _{2 H+}               

                Xanthin   +  O₂    =>    Xanthin dạng oxy hoá   +  O₂^•

                                 _{2 H+}

                 2   O₂^•      =>       H₂O₂        +      ¹O₂

 

2.4.1. Thiếu máu cục bộ và nhồi máu

            Ngay những năm đầu của thập kỷ 70 người ta đã phát hiện quá trình peroxi hoá lipid, nghĩa là chúng xảy ra và gia tăng ngay trong những tổ chức không được cung cấp đủ oxy. Nguyên nhân là do ngay phút đầu tiên của thiếu máu, con đường đường phân yếm khí glucose xảy ra, gây tích tụ NADH. Do oxy không đủ cho quá trình phosphoryl hoá, mức ATP giảm xuống. Tình trạng này gây ra hàng loạt  những rối loạn độc hại: tế bào không có khả năng cân bằng ion qua màng, mạch hô hấp bị khử hoàn toàn trong các ty lạp thể, ADP phải đưa ra sử dụng như một cơ chất, khi đó O₂^• được sinh ra tấn công các lipid màng...

              Tại vùng nhồi máu, các tế bào không còn khả năng hấp thụ được oxy do các enzyme cần cho những quá trình này bị giảm hoạt tính. Oxy không được tế bào dùng đến lại tấn công lipid màng làm tăng peroxi hoá lipid. Cạnh vùng nhồi máu xuất hiện bạch cầu thực bào càng thúc đẩy sinh ra các dạng oxy hoạt động, các adrenalin cũng xuất hiện càng kích thích quá trình peroxi hoá lipid gia tăng và xuất hiện sự tích tụ các lipoperoxid tại chỗ nhồi máu... Nhồi máu là hậu quả của một số bệnh như vữa xơ động mạch gây nhồi máu cơ tim, các tai biến mạch máu não, các bệnh đái tháo đường, chấn thương...

2.4.2. Tái tưới máu trở lại sau thiếu máu cục bộ

             - Trong phẫu thuật hay gặp hiện tượng thiếu máu cục bộ và tưới máu trở lại, vì khi chúng ta cắt bỏ một bộ phận nào đó, chúng ta kẹp mạch máu để chống chảy máu, sau đó chúng ta lại bỏ kẹp mạch máu và máu được cung cấp trở lại sau phẫu thuật. Trong trường hợp này nó sẽ gây thiếu máu cục bộ trong một khoảng thời gian nào đó và có hiện tượng tưới máu trở lại. Khi thiếu máu gây tích tụ NADH, rối loạn cân bằng ion qua màng, mạch hô hấp ở ty lạp thể bị khử hoàn toàn cũng xảy ra giống như khi nhồi máu, đồng thời có sự tích tụ xanthin và hoạt tính enzym xanthioxidase tăng lên. Khi tưới máu trở lại thì các gốc oxy tăng đột ngột nhanh.

                Xanthin   +  O₂             =>                acid uric   +  O₂^•

                                               ^{Xanthinoxydase}

                 Đồng thời, ion Ca⁺⁺ ở dòng máu tưới trở lại làm rối loạn cân bằng ion ở ty lạp thể, sau khi enzym photpholipase hoạt hoá giải phóng ra acid arachidonic thì enzym cyclooxygennase chuyển hoá acid này thành gốc OH và các peroxid và nó được chuyển tiếp thành các gốc ^•OH, HOO^. , làm cho lượng các gốc oxy tăng cao.

             Thực nghiệm thấy rằng: SOD, catalase, vitamin E… phải đưa ngay trước khi thiếu máu cục bộ và ngay sau bắt đầu tưới máu trở lại thì mới làm giảm được sự sinh ra các gốc tự do, hạn chế tổn thương, rút ngắn thời gian hồi phục của các mô.

             - Trong các ổ khớp có dịch khớp. Khi bị viêm khớp, dịch khớp được xuất tiết tăng làm tăng áp lực lên tổ chức quanh khớp. Khi dòng máu chảy vào bao hoạt dịch bị ngăn cản do tăng áp lực dẫn đến thiếu máu nhất thời cho bao hoạt dịch. Người ta thấy rằng khi khớp gối bị viêm, lúc ngừng vận động thì sự tưới máu trở lại xuất hiện. Hơn nữa ở bao hoạt dịch có sự tự vi rỉ máu, sắt và feritin chuyển sang dạng tự do tăng lên, làm tăng khả năng xúc tác sinh gốc OH, và ở ổ khớp viêm nhất là khi vận động sẽ sinh ra các gốc tự do của oxy, là các tác nhân oxy hoá mạnh tạo ra một vùng bị bệnh ở ổ khớp.

              Trong thực tế điều trị lâm sàng, bác sỹ có thể dùng những chất chống oxy hoá (ức chế xanthine oxidase) như allopurinol trong điều trị nhồi máu cơ tim trước khi tưới máu lại sẽ làm giảm diện tích cơ tim bị tổn thương và hoại tử.

2.5. Tác nhân xenobiotic và vấn đề  ô nhiễm môi trường     

           Xenobiotic là các chất sinh học lạ như thuốc, hóa chất trong nông nghiệp là các thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc kích thích sinh trưởng... Trong công nghiệp là các thuốc nhuộm, hóa mỹ phẩm, các chất tẩy rửa...         

           Các chất xenobiotic chuyển hoá trong cơ thể đều tạo ra các dạng ROS như  O₂^•  , ¹O₂  có độc tính rất cao, gây đột biến gen và hoại tử. Ô nhiễm môi trường làm tăng cường phản ứng tạo gốc tự do trong chuyển hoá các chất ô  nhiễm. Vấn đề ô nhiễm môi trường có thể gây ra các bệnh tật như ung thư gan, phổi, da... và các bệnh viêm nhiễm khác... Nó xuất phát từ sự dư thừa quá mức của các gốc tự do trong cơ thể.

2.5.1.  Tác nhân xenobiotic

             Các chất gây ung thư: Nhiều bằng chứng đã chỉ ra các hợp chất nitro hữu cơ là các tác nhân gây đột biến, ung thư. Khi xâm nhập vào cơ thể, các chất nitro hữu cơ này bị các cytocrom P₄₅₀, nitroreductaza khử thành gốc RNO₂^• , trước khi chuyển thành các amin. Các amin gốc nitro lại nhường điện tử cho oxy, tạo ra gốc O₂^- . Các hydrocacbua đa vòng, các nitroxide.... rất nhiều hoá chất gây đột biến ung thư khác đã được lý giải là khi xâm nhập vào cơ thể, bị cơ thể chuyển hoá làm phát sinh các gốc tự do của oxy.

              Các tác nhân gây viêm, hoại tử gan: Các hợp chất halogen hữu cơ, điển hình là CCl₄ là chất gây viêm hoại tử gan, khi vào gan được chuyển hoá thành photogen và chính các dạng trung gian đã làm tăng quá trình peroxy hoá lipid (POL) tổn thương phá vỡ màng tế bào, gây viêm hoại tử gan.

               Các tác nhân thiếu máu huyết tán: Điển hình là các diazonaphtol, diphenylhydrazin.... các chất này phản ứng với oxyhemoglobin tạo ra methemoglobin và gốc phenyl hydrazin, gốc này nhường điện tử cho oxy tạo ra O₂^•   .

Các thuốc trừ sâu diệt cỏ: Các chất Wofatox, paraquat... là chất gây đột biến ung thư cho người, ví dụ như paraquat bị enzym flavin khử thành các gốc bền (P^•). Gốc này có thể nhường điện tử cho oxy tạo ra anion superoxid và tác dụng độc diệt cỏ trừ sâu của paraquat chỉ thể hiện khi có mặt của oxy .

                                  P^• + O₂        =>      O₂^• + P (k = 10⁸ M/s)

2.5.2.  Ô nhiễm môi trường

             Trong không khí có khoảng 500 chất hữu cơ, ví dụ khí metan ở đầm lầy có thể tạo gốc theo phản ứng sau:

                               CH₄ + O₂            =>          H₃C^•   + OH^•

                       và    H₃C^•   + O₂      =>      H₃COO^•

             Khí thải của các động cơ dùng xăng dầu có nhiều chất độc CO, NO, cacbuahydro tetraetyl chì, những chất này phân huỷ tạo gốc tự do nnhư sau:

    Pb(C₂H₅)₄  + O₂     =>  PbO₂^•   =>  RCH₂O^•    =>    HO₂^•     =>      HO^•  + ...

                                                                         ^{R-CH3                       O2                      PbO}

             Gốc tự do sinh ra, tồn tại như một hiện tượng tất yếu trong cơ thể do nguyên nhân nội sinh (bên trong cơ thể) và nguyên nhân ngoại sinh (do tác động của các yếu tố độc trong môi trường). Hàng loạt gốc tự do độc hại mà cơ thể phải hứng chịu do phát sinh từ môi trường bị ô nhiễm nặng nề do các loại bụi: bụi chì, silic, các muối kim loại nặng, khói xe, các thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, các chất thải của các nhà máy xí nghiệp hầm mỏ, các chất dị sinh, các thức ăn nước uống có chứa nấm mốc, các độc tố vi khuẩn, các chất gây ung thư, các tia năng lượng cao, các chất phụ gia thực phẩm và các chất bảo quản thực phẩm có khả năng gây độc hại cho con người, các chất phóng xạ do phá huỷ tầng ozon, các stress trong xã hội công nghiệp và ngày càng phát triển. Các lối sống tự gây ô nhiễm môi trường cho chính bản thân mình cũng như mọi người xung quanh hút thuốc, uống rượu, thói quen ăn uống  ...

         Ví dụ: Các tia có năng lượng cao có thể bẻ gãy các liên kết của 1 phân tử tạo ra các gốc tự do: 

                                                               _{Tia xạ, tia UV}

                         R₁-R₂              =>            R₁^•  +   R₂^•

Hoặc các tia phóng xạ tác động vào cơ thể qua phân tử nước để sinh ra gốc tự do:          

                                                                _{Tia xạ, tia UV}

                         H₂O                 =>           H^•    +  HO^•

Trong đó hydro nguyên tử thường chuyển thành anion  O₂^•

Hình 3. Mô hình chuyển điện tử nội phân tử để thành gốc tự do. Mũi tên đơn ở đầu để miêu tả sự chuyển động của các điện tử duy nhất

                 

Khí clo có thể được chia nhỏ dưới tác dụng của tia cực tím để tạo thành các gốc clo nguyên tử.

2.6. Một số tác nhân khác

           Các phản ứng khử độc của cơ thể bằng phản ứng oxy hoá cũng sinh ra gốc tự do. Các oxydase chứa trong peroxysome là tác nhân gây sản sinh ra O₂^• và H₂O₂ , bên cạnh đó các cytochrom P450 trong quá trình monooxygen hoá chất độc cũng sinh ra gốc tự do.

          Việc phát sinh bệnh ung thư ở con người với gốc tự do là mối nhân quả rõ ràng. Gốc tự do nội sinh đặc biệt là ^•OH liên tục tác động gây đột biến gene làm cho tế bào phát triển không bình thường và sự phân chia tế bào sẽ không được kiểm soát. Các công trình nghiên cứu gần đây đã làm sáng tỏ bản chất chung của các chất ung thư là tạo thành gốc tự do khi chúng đi vào và được chuyển hoá trong cơ thể. Gốc tự do ngoại sinh này tác động vào vật chất di truyền dẫn đến các bệnh ung thư. Gốc tự do gây nên bệnh tim mạch là mảng vữa xơ làm hẹp lòng mạch  máu. Do vậy, khi huyết áp cao, thiếu máu cục bộ ở các cơ quan, thiểu năng tuần hoàn não, các gốc tự do đã oxy hoá các hạt lipoprotein tỉ trọng thấp (LDL) làm cho các hạt LDL mất vai trò cung cấp cholesterol cho tế bào, biến LDL thành chất lạ và bị các đại thực bào hoặc bạch cầu thực bào. Kết quả là hình thành các tế bào bọt trong thành mạch máu, tạo ra mảng vữa xơ. Gốc tự do cũng là nguyên nhân của một số hiện tượng khác như quá trình viêm tạo nên hiện tượng sưng, nóng, đỏ, đau hay làm suy giảm, sai lệch hệ thống miễn dịch, làm thoái hoá võng mạc, đục thuỷ tinh thể, làm giảm trí nhớ và quá trình lão hoá. Một số tác giả đã cho rằng nó là nguyên nhân gây ra một số bệnh: Parkinson, xơ gan...(Aksenov M Y, Tucker H M, Nair P, Aksenova M V, Butterfield D A, Estus S, Markesbery WR(1998) và suy thận mạn .

          Ảnh hưởng của stress: cơ thể hoạt động bình thường là do cân bằng nội môi đã được thiết lập. Nếu một yếu tố nào đó phá vỡ cân bằng nội môi thì được gọi là stress. Khi cơ thể động vật bị các stress như tiếng ồn, nhiệt độ qua nóng, stress tâm lí thì thấy rằng hàm lượng gốc tự do tăng cao hơn 1,5 đến 2 lần so với đối chứng. Stress thần kinh căng thẳng (quá lo lắng, quá sợ hãi ...) gốc tự do cũng tăng nhiều lần so với bình thường. Khi cơ thể ở trạng thái hưng phấn, kích thích các gốc tự do bền của semiquinon của vitamin E, coenzym Q…tăng lên rõ rệt.

          Ảnh hưởng của khu vực địa lý: Các bức xạ mặt trời, bức xạ nền (phông vũ trụ…) ở một miền nào đó có những tia ảnh hưởng tới sự hình thành ra các gốc tự do của oxy.

3. Hệ thống thu dọn gốc tự do, chống oxy hoá của cơ thể

Gốc tự do nội sinh cần thiết cho quá trình phân huỷ và tổng hợp các chất trong chu trình chuyển hoá của tế bào. Phản ứng oxy hoá cơ chất để cung cấp năng lượng cho sự sống hoặc các dây truyền trao đổi điện tử giữa các hệ thống, thường thông qua phản ứng gốc tự do. Gốc tự do cũng là vũ khí tiêu diệt các vật thể lạ xâm nhập. Tuy nhiên gốc tự do nội sinh có một tỷ lệ nhất định thoát ra khỏi quá trình hữu ích cùng với gốc tự do ngoại sinh do tác động của môi trường luôn tấn công quyết liệt và liên tục vào mọi cấu trúc của tế bào. Sự tồn tại các gốc tự do và các peroxid gây nên những tác hại to lớn cho cơ thể và hoạt động của chúng phụ thuộc vào nhiều yếu tố: áp suất riêng phần của oxy, lượng acid béo chưa bão hoà. Các gốc tự do phản ứng với lipid đa nối đôi ở màng tế bào (peroxid hóa lipid) gây tổn thương màng tế bào, phản ứng với các ADN gây tổn thương cấu trúc ADN dẫn đến các đột biến...

Trong cơ thể có hệ thống chống gốc tự do. Hệ thống bảo vệ của cơ thể chống lại các tác hại của gốc tự do bao gồm các chất chống oxy hoá. Các chất chống oxy hoá giữ vai trò rất quan trọng để bảo vệ tế bào không bị tổn thương do gốc tự do tấn công.

Chất chống oxy hoá (antioxidant) là một trong những hệ thống nội sinh quan trọng có vai trò khử các chất oxy hoá và gốc tự do gây hại đến tế bào, đây là cơ chế sinh học duy trì hiệu quả cân bằng nội bào, chính hệ thống bảo vệ này đã ngăn cản quá trình tạo ra nhiều ROS và cản trở quá trình oxy hoá bất lợi (Bary et al. 2001).

Chất chống oxy hoá được chia thành 2 loại: Các chất chống oxy hoá có bản chất enzym và các chất chống oxy hoá không có bản chất enzym.

3.1. Hệ thống chống oxy hoá có bản chất enzym

Trong cơ thể sống, các phản ứng trong các dây truyền chuyển hoá thường sinh ra gốc tự do, nhưng thường xuyên được thu dọn nhờ enzym có sẵn trong tế bào của các tổ chức, trong đó có hồng cầu. Hoạt độ các enzyme  chống oxy hoá cao trong ty thể, bào tương tế bào nhưng lại rất thấp ở huyết tương, dịch mô, dịch tuỷ sống.

3.1.1. Superoxid dismutase (SOD)

Superoxid dismutase (SOD) là enzym chống oxy hoá có chứa kim loại thuộc lớp oxidoreductase có vai trò chuyển hóa gốc anion dioxide (O₂^•), chức năng của enzym SOD là xúc tác cho phản ứng dị ly xảy ra nhanh.

SOD có hoạt tính càng cao thì  O₂^• có hoạt tính càng giảm, SOD là một chất chống oxy hoá rất cơ bản, làm hạ thấp nồng độ tiền chất (O₂^•) mà từ đó sẽ sản sinh ra tất cả các dạng oxy hoạt động khác.

- Cơ chế phản ứng của SOD: SOD là metalloenzyme chống oxy hoá hữu hiệu trong tế bào, xúc tác phản ứng dị ly oxy hoá khử phân huỷ gốc superoxide (Bannister và Parker, 1985) .

                                        2 O₂^• +  2H⁺ =  H₂O₂  + O₂

                Quá trình trao đổi điện tử thực chất xảy ra tại trung tâm hoạt động ion kim loại (Me) theo cơ chế phản ứng oxy hoá khử vòng gồm 2 bước:

                              Me³⁺  +  O₂^•        =>             Me²⁺   + O₂

                   Me²⁺   +  O₂^•   + 2H⁺        =>               Me³⁺   +   H₂O₂

                Đầu tiên Me³⁺  bị khử bằng cách nhận một điện tử của gốc O₂^•   và trở thành dạng oxy hoá Me²⁺ còn O₂^•   chuyển thành O₂ . Khi đó Me²⁺  tiếp tục tương tác với một gốc O₂^•   và nhường điện tử cho nó, với sự có mặt của H⁺ chúng kết hợp với nhau để tạo thành H₂O₂ . Và quá trình này tiếp tục lặp đi lặp lại tạo nên một chu trình phản ứng khép kín. Chu kỳ bán huỷ của SOD từ vài phút đến vài giờ, nó phụ thuộc vào  nhóm SOD khác nhau.

          - Cấu trúc của SOD: Hệ thống SOD được chia thành 4 nhóm: CuZn-SOD (dạng trong bào tương có chứa Cu,Zn); Fe-SOD, Mn-SOD (dạng trong ty thể chứa Mn) và Ni-SOD .

          CuZn- SOD là một metalloprotein có cấu trúc nhị nhân điển hình. Cấu trúc CuZn- SOD ở hồng cầu bò đã được xác định rõ cấu trúc là một phân tử homotetramer điển hình cho nhóm enzyme này, mỗi monomer chứa một ion đồng nằm trong không gian phối trí có cấu trúc hình tháp vuông biến dạng và một ion kẽm nằm trong không gian phối trí có hình tứ diện biến dạng ở trung tâm hoạt động. Vị trí Cu giữ vai trò xúc tác chính liên kết phối trí với 4 phối tử là 4 gốc histidine của chuỗi polypeptide và một phân tử nước hay một nhóm HO, như vậy trung tâm hoạt động Cu có cấu trúc pentacoordinate (Cu(N_His)₄H₂O/HO-). Vị trí Zn đóng vai trò hỗ trợ tính bền vững của trung tâm hoạt động. Đặc biệt CuZn- SOD tồn tại trong lục lạp có cấu trúc homotetramer, TTHĐ của mỗi monomer thực hiện chức năng độc lập với nhau.

          Mn- SOD là một metalloprotein có cấu trúc đơn nhân. Mn- SOD người có cấu trúc homotetramer, mỗi monomer chứa 198 gốc aminoacid và chia thành 2 vùng khác nhau: vùng N-terminus bao gồm 2 chuỗi xoắn đối song và cùng C- terminus chứa một phiến nếp gấp ở trung tâm được tạo thành từ 3 dải đối song với 4-6 chuỗi xoắn bao xung quanh. Trung tâm hoạt động Mn nằm giữa 2 vùng N- và C- terminus. Cấu trúc Fe- SOD rất giống với Mn- SOD, thậm chí các cấu trúc bậc 1, bậc 2, bậc 3 của 2 enzym này cũng giống nhau, sự khác nhau chỉ thể hiện qua coenzym, một số đặc tính và vị trí phân bố.

          Ni- SOD bao gồm 4 tiểu phần dưới đơn vị giống nhau, mỗi monomer có 117 amino acid chứa một nguyên tử Ni. Dạng cấu trúc bậc 2 của Ni- SOD là chuỗi polypeptide có 4 vòng xoắn, 2 đối song. Trình tự và thành phần amino acide của nó cũng không tương đồng với các nhóm SOD khác. Ni- SOD có cấu trúc homodinulear, 2 ion Ni được nối với nhau bằng một cầu nối gốc cysteine với khoảng cách 23,4- 17,7 Ǻ. TTHĐ Ni trong không gian phối trí sắp sếp theo dạng khối bát diện.

- Lượng O₂^• thường xuyên được sinh ra, tỷ lệ với cường độ hô hấp tế bào, trong ty thể có enzym Mn-SOD loại gốc O₂^• này, nếu còn gốc  nào thoát ra bào tương nó sẽ bị loại bỏ bởi enzym Cu-SOD và Zn-SOD, nhờ có các enzym này mà gốc không đến được màng tế bào, vượt ra ngoài tế bào và vì vậy dịch ngoại bào hầu như không có SOD. Hoạt động của SOD bắt buộc phải phối hợp với các hoạt động của catalase và peroxidase để tránh sự tích tụ H₂O₂.

3.1.2. Catalase

Catalase là enzym xúc tác phản ứng phân huỷ H₂O₂ và chỉ hoạt động khi  H₂O₂ ở nồng độ cao, catalase không phân huỷ được peroxide hữu cơ và H₂O₂ vô cơ ở nồng độ thấp vì chúng chỉ được hoạt hoá khi H₂O₂ ở nồng độ cao .

                                   H₂O₂­­­­­­­  =>  H₂O +  O₂

Catalase có mặt trong hầu hết các tế bào và các mô động vật nhưng hoạt tính mạnh nhất là ở gan và thận, ít nhất là ở mô liên kết. Trong các mô, catalase có chủ yếu trong các ty thể và peroxisome.

Catalase chứa 4 nhóm haematin chiếm 1,1% và sắt chiếm 0,09%. Protohaematin IX là nhóm ngoại (prosthetic) của tất cả catalase, liên kết lỏng lẻo với protein và có thể cắt bởi acid acetic. Catalase có cấu trúc bậc 4 và cũng gồm 4 tiểu đơn vị, mỗi tiểu đơn vị chứa một heme và ở một số cơ thể thì còn có thêm một phân tử NADP⁺, nó có vai trò bảo vệ enzym khỏi sự oxy hoá của chính H₂O₂­­­­­­­ .

Cơ chế xúc tác của catalase gồm hai bước

Bước đầu tiên: Một proton của H₂O₂­­­­­­­ được chuyển từ nguyên tử oxy này sang nguyên tử oxy kia (qua His-74) làm cho liên kết O-O dài ra và phân cực rồi cuối cùng bị đứt gãy. Nguyên tử oxy bị đứt ra gắn với Fe tạo thành Fe⁴⁺ = O và một phân tử nước được giải phóng.

               H₂O₂­­­­­­­  + Fe³⁺ - E     =>     H₂O + O = Fe⁴⁺ - E.

Bước tiếp theo diễn ra tương tự,  Fe⁴⁺ = O tương tác với phân tử H₂O₂­­­­­­­ thứ hai để trở về dạng ban đầu Fe³⁺ - E đồng thời giải phóng thêm một phân tử nước và một phân tử oxy.

               H₂O₂­­­­­­­   +  Fe⁴⁺ - E   =>      H₂O  +  Fe³⁺ - E  + O₂.

3.1.3. Peroxidase

Peroxidase là một nhóm enzyme xúc tác các phản ứng oxy hoá khử, thuộc lớp oxidoreductase, phản ứng xảy ra theo phương trình sau:

                                                              ^perosidase

                  AH₂    +  H₂O₂     =>    A   +  2 H₂O

 

Các chất có độc tính như gốc O₂^•  và   ^•OH được phát hiện thấy trong tế bào vì sự có mặt của O₂ , chúng được loại trừ nhờ những enzym nội bào. Đối với những gốc O₂^• được sinh ra từ O₂ trong chuỗi vận chuyển điện tử sẽ bị SOD phân huỷ, nhưng lại tạo ra nhiều H₂O₂ mà nó cũng là các chất độc với các tế bào, vì vậy việc loại bỏ các H₂O₂ là rất cần thiết, đảm bảo hoạt động nội bào diễn ra bình thường. Peroxidase sử dụng H₂O₂ như là một chất nhận điện tử xúc tác cho nhiều phản ứng oxy hoá khử khác nhau trong đó H₂O₂ bị khử thành H₂O.

Cùng với catalase và SOD, peroxidase là những enzym chống oxy hoá quan trọng trong hệ thống sinh học. Chúng có vai trò chính là giải độc tế bào bằng cách  chuyển hoá H₂O₂ thành H₂O, ngoài ra peroxidase còn tham gia vào những phản ứng sinh hoá quan trọng khác trong cơ thể như quá trình chuyển hoá và tổng hợp lignin, sinh tổng hợp thành tế bào, sinh tổng hợp một số hormone như PG, thyroxine, ethylene, tham gia vào quá trình trao đổi IAA, quá trình phân huỷ auxin. Peroxidase có vai trò chống lại các tác nhân gây bệnh xâm nhiễm vào tế bào, mô và đáp ứng bảo vệ với những tổn thương (Nguyễn Thị Ngọc Dao, Đỗ Thị Hồng Cẩm, 1997; Hà Thị Thanh Bình và cs., 1998; Szymonik et al., 2003). Hoạt tính xúc tác của peroxidase bị kìm hãm bởi các chất oxy hoá sulphide, azide, cyanide, fluoride và hoạt tính pH tối thích nằm trong khoảng 6- 8 (Nguyễn Thị Ngọc Dao, Đỗ Thị Hồng Cẩm, 1997)].

Hầu hết các peroxidase có cùng cơ chế xúc tác phản ứng phân giải H₂O₂ và được thực hiện theo các bước sau:

- Tạo thành phức I hoạt động:

                  Enzym + H₂O₂         —> Complex I

- Chuyển hoá phức hợp I thành phức hợp II hoạt động:

                   Complex I + AH₂ —> Complex II  + ^•AH

- Tái tạo enzyme bằng quá trình khử phức hợp II:

                   Complex II + AH₂ —> Enzyme  + ^•AH  + 2 H₂O

- Tạo thành sản phẩm:

                   ^•AH  + ^•AH            —> Sản phẩm oxy hoá.

Tính đặc hiệu cơ chất của enzyme trong sự tạo thành phức hợp I rất cao. Các peroxide như  H₂O₂, methyl hydrogen peroxide, ethyl hydrogen peroxide chỉ có thể tương tác với peroxidase mới hình thành phức hợp cơ chất hoạt động (phức hợp I). Tính đặc hiệu của phức hợp cơ chất – enzyme này đối với chất cho hydrogen ở giai đoạn 2 và 3 là khá thấp, nên chúng có thể phản ứng với nhiều cơ chất hữu cơ (AH₂) khác nhau như ferrocyanide, indophenol pherols, amino pherol, 4- aminoantipyren, cytochrome C và một số amino acid.

Có rất nhiều enzyme mà hoạt tính xúc tác đòi hỏi phải có mặt của những phân tử nhất định là coenzyme mà bản chất không phải là polypeptide. Peroxidase có coenzym thể hiện hoạt tính là nhóm heme b. Heme b là phức hợp tạo bởi phân tử protoporphyrin IX và một ion Fe ở trung tâm. Trung tâm hoạt động Fe có cấu trúc pentacoordinate hoặc hexacoordinate khi có thêm một liên kết phối trí thứ 6 với phối tử H₂O, HO^•, O^• hay H₂O₂. Một số perosidase (CCP, AsP, LiP, MnP) còn mang gốc amino acid chứa vòng thơm nằm song song với mặt phẳng imidazol và chúng tương tác với nhau bằng lực Van der Waals.     

3.1.4. Glutathion reductase (GR)

GR xúc tác phản ứng chuyển Glutathion dạng oxy hoá thành Glutathion dạng khử.

                                                     ^GR

              NADPH⁺  +  GSSG         —>       NADP⁺  +  2GSH

3.1.5. Gluthion peroxidase (GPx)

GPx là enzym xúc tác cho phản ứng loại bỏ các loại peroxid, enzym này hoạt động ở các mô và trong hồng cầu khi nồng độ H₂O₂ thấp.

                                                                           ^GPx

                ROOH   +   2GSH        —>          GSSG + ROH + H₂O

          GSH là glutathion dạng khử, GS-SG là glutathion dạng oxy hoá, RCOOH là peroxide, R là gốc hữu cơ hoặc có thể là H trong H₂O₂. Enzym này chủ yếu tồn tại bên trong cơ thể và bào tương của tế bào, ở dịch ngoại bào nồng độ rất thấp.

          Có hai loại glutathion: loại không phụ thuộc selen chiếm 20%. Enzym này xúc tác sự khử  các hydroperoxid hữu cơ khi có mặt glutathion, nhưng không có tác dụng trên hydrogenperoxid. Hoạt tính giống như glutathion-S- transferrase liên quan đến sự giảm độc tính của xenobiotic. Loại phụ thuộc selen chiếm 80% xúc tác loại bỏ H₂O₂­­­­­­­.

          Glutathione có bản chất là một tripeptide (L-ó-glutamyl cysteinyl glycine), chính nhờ sự liên kết ó-peptide giữa glutamic acid và cysteine đã bảo vệ glutathione tránh khỏi sự phân huỷ bởi amino peptidase. Glutathione tồn tại ở 2 dạng: dạng khử (thiol GSH) và oxy hoá (disulfide GS-SG). Glutathione là chất chống oxy hoá, chất giải độc hữu hiệu của tế bào. Cơ chế phản ứng của glutathione tham gia vào quá trình phân giải hợp chất peroxide như sau:

 

 

 

Cơ chế phản ứng của glutathione trong quá trình phân giải hợp chất peroxide.

GSH bị oxy hoá trở thành dạng disulfide GS-SG nhờ enzyme GPx xúc tác, kèm theo phản ứng oxy hoá khử này, H₂O₂ và hợp chất peroxide bị phân giải. Sau đó GS-SG bị khử trở lại dạng GSH bởi GR, enzyme này sử dụng NADPH làm nguồn cung cấp điện tử. Con đường chủ yếu để tái sinh NADPH là glucose-6-phosphate (Glu6P) chuyển hướng vào chu trình pentose phosphate được thực hiện bởi glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PDH). Cùng với GPx, GST cũng là enzyme có thể loại trừ các sản phẩm lipid peroxidase trong tế bào.

Trong cơ thể hệ thống GPx bao gồm: Glutathion peroxidase, glutathion reductase, glucose-6-phosphat dehdrogenase. Đây là hệ thống enzym có tác dụng chống lại những tổn hại gây nên bởi qúa trình oxy hoá. Hoạt độ của GPx và Catalase phụ thuộc vào nồng độ H₂O₂­­­­­­­ , khi nồng độ H₂O₂­­­­­­­ cao ức chế GPx và hoạt hoá Catalase hoạt động và ngược lại khi nồng độ H₂O₂­­­­­­­ thấp chỉ có GPx hoạt động và Catalase bị ức chế, điều này rất quan trọng vì nó tiết kiệm glutathion dạng khử cho cơ thể (Nguyễn Xuân Thắng et al., 1996)

3.2. Hệ thống chất chống oxy hoá không có bản chất enzym

          Nhiều chất hoá học có tính chống oxy hoá do chúng phân huỷ được các peroxid, oxy đơn bội, gốc tự do khác, dập tắt gốc tự do, hoặc ngăn chặn quá trình oxy hoá sinh học do một cơ chế gián tiếp nào khác. Có thể có sẵn trong cơ thể hoặc từ một loại thuốc nào đó.

3.2.1. Nhóm các polyphenol

Gồm các vitamin A, vitamin E, bioflavoid, coenzym Q... có một số đặc điểm sau:

- Dạng khử của chúng có thể phản ứng với các gốc tự do và tạo ra dạng oxy hoá (quilon). Dạng oxy hoá có thể chuyển thành dạng lưỡng gốc, do vậy chúng có khả năng phản ứng với hai gốc tự do nữa nhưng xu hướng này yếu. Đặc biệt dạng oxy hoá và dạng khử của chúng có thể phản ứng với nhau một cách thuận nghịch tạo nên gốc semiquinon bền vững, tồn tại lâu dài.

- Các polyphenol (dạng ortho) có khả năng tạo phức với ion sắt hoặc đồng nên có thể làm mất khả năng xúc tác của những ion này ở phản ứng Fenton. Ion sắt phải có 6 liên kết phối trí mới bão hoà, nên phức phải có tỷ lệ ion sắt/phối tử là 1/3 thì ion sắt mới mất tính chất xúc tác. Nếu tỷ lệ thành phần là 1/1 thì tính chất xúc tác của Fe không mất mà còn tăng lên nhiều lần.

- Các polyphenol có những tính chất vật lý và tính chất hoá học khác nhau do vậy chúng cũng có những tính chất sinh học khác nhau, nhưng chúng đều có tác dụng chống oxy hoá.

3.2.1.1. Vitamin E

Là chất chống oxy hoá hoà tan trong lipid và phân bố rộng khắp trong tế bào, được coi như chất bảo vệ của màng sinh học vì nó ngăn cản quá trình oxy hoá các acid béo chưa bão hoà của màng.

 

 

 

 

Cấu trúc của vitamin E.

Vitamin E có thể liên kết với phần hydrocacbon của acid béo chưa bão hoà nhiều nối đôi và vì vậy tiếp cận gần vị trí của quá trình peroxi hoá, dập tắt những phản ứng chuỗi gốc tự do theo sơ đồ sau:

R^•  (ROO^•)  +  Vitamin E    =>    RH (ROOH)   + Vtamin E^•

R^•  (ROO^•)  +  Vtamin E^•      =>       RH (ROOH)  + Tocopherol quinon

          (RH là các acid béo chưa bão hoà có nhiều nối đôi)

          Cơ chế chống oxy hoá: Vitamin E bị oxy hoá, trở thành gốc tocopherol không bền vững và bị bẻ gãy dị vòng tạo nên tocopherol quinon. Đây không phải là chất chống oxy hoá trong cơ thể sống và không biến đổi trở lại thành vitamin E.

Vitamin E có nhiều trong mầm ngũ cốc (lúa mạch), mầm đậu tương, giá đỗ, các loại dầu thực vật, xà lách, rau xanh, cà chua, gan động vật, lòng đỏ trứng... Selen hoạt hoá vitamin E và vitamin E chỉ phát huy tác dụng khi cơ thể có đủ selen. Khi có selen xúc tác, vitamin E có thể tồn tại ở dạng một lưỡng gốc tự do bền, tác dụng như những cái bẫy để bắt giữ, trung hoà các gốc tự do độc hại.

          Do đặc điểm cấu tạo phân tử, vitamin E là chất chống các gốc tự do đặc biệt là loại bỏ các lipoperoxide và H₂O₂ giúp duy trì độ bền và sự nguyên vẹn của màng tế bào và DNA. Hoạt tính chống gốc tự do của vitamin E càng được tăng cường nếu phối hợp với caroten và selen. Selen hoạt hoá vitamin E và vitamin E chỉ phát huy tác dụng khi cơ thể có đủ selen. Rõ ràng hoạt tính chống oxy hoá của vitamin E có liên quan mật thiết đến những chất chống oxy hoá ưa nước khác như GSH, vitamin C, và vitamin E có tác dụng bảo vệ cơ thể chống lại các bệnh tim mạch, nhiễm khuẩn, ung thư, đục thuỷ tinh thể, các bệnh thần kinh, parkinson, lão suy, không đủ vitamin E hồng cầu dễ bị vỡ bởi sự tấn công của H₂O₂.

3.2.1.2. Các flavonoid

Là một họ các chất rất phổ biến trong thực vật, có bản chất hoá học là những polyphenol, các flavonoid có hoạt tính sinh học được gọi là bioflavonoid có khả năng chống oxy hoá cao, do đặc điểm cấu tạo hoá học của các flavonoid có các nhóm hydroxyl phenolic, nhóm carbonyl, vòng thơm benzen nên chúng có khả năng phản ứng rất lớn, chúng triệt tiêu các gốc tự do sinh ra trong quá trình bệnh lý của cơ thể và tạo nên những gốc tự do của chúng bền vững hơn và không tham gia vào dây chuyền phản ứng gốc (Lê Thị Lan Oanh et al., 2004).

3.2.1.3. Caroten

           Caroten thuộc họ chất màu thực vật từ vàng đến đỏ (gọi chung là carotenoid), là tiền chất của vitamin A, trong cơ thể một phân tử caroten có thể chuyển thành 2 phân tử vitamin A. Nó có trong các loại rau quả, rất nhiều trong củ quả như cà rốt, bí ngô, gấc, xoài. Caroten rất dễ bị oxy hoá, đây là những chất chống oxy hoá mạnh.

          Trong cơ thể, caroten chống lại các gốc tự do, dập tắt phản ứng dây chuyền, vô hiệu hoá đặc hiệu đối với phân tử oxy bị kích hoạt (oxy đơn bội ¹O₂) . Nhờ có hệ liên kết đôi luân phiên trên mạch cacbon dài, một phân tử  caroten có thể hấp thu năng lượng  của hàng ngàn phân tử ¹O₂ rất nguy hiểm rồi giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt vô hại.

3.2.2. Vitamin C

Vitamin C có nhiều trong hoa quả tươi, rau xanh. Vitamin C là chất chống oxy hoá, chống gốc tự do điển hình ở ngoại bào. Vitamin C có tác dụng đưa Vitamin E từ dạng oxy hoá về dạng khử (phục hồi vitamin E sau khi vitamin E đã hoạt động chống gốc tự do) .

Vitamin E- O^• + Vitamin C _khử  =>  Vitamin E-OH + Vitamin C_{oxy hoá}

Vitamin C còn có tính chất chống oxy hoá ở môi trường nước như loại hydrogen peroxide, loại bỏ các gốc tự do superoxide (O₂^•), gốc hydroxyl (^•OH) và chặn đứng các phản ứng dây chuyền theo cơ chế gốc tự do.

 

 

 

 

         

Cấu trúc của vitamin C

Vitamin C giúp cho cơ thể chống lại có hiệu quả nhiều bệnh nghiêm trọng như bệnh ung thư, tim mạch, làm tăng cường miễn dịch, tăng cường sức bền thành mạch, nhanh liền các vết loét.

3.2.3. Nhóm các thiol

Nhóm thiol có cấu trúc RSH (R là gốc hydrocarbon) gồm glutathione, mercaptopropionyl glyxin, N-acetyl cystein. Do có tính khử mạnh, nên nhóm các thiol cùng với vitamin C chuyển vitamin E từ dạng oxy hoá sang dạng khử, hồi phục chức năng, dập tắt mạch peroxy hoá lipid của vitamin E .

Các thiol có khả năng trung hoà gốc tự do như  ^•OH tạo ra gốc thiyl

                             R- SH  + HO^•   =>     RS^•         + H₂O

Các gốc thyil (RS^• ) có thể kết hợp với chính nó để tạo thành phức hợp chất disulfur (RS-SR) hoặc trung hoà một gốc oxy hoá khác

                             RS^•    +     O₂      =>      RSO₂^•

- Glutathion: là một tripeptide, có mặt ở hầu hết các loại động vật, thực vật và vi sinh vật, cơ chế hoạt động của glutathion được giả thiết liên quan đến phản ứng vận chuyển một nguyên tử H tới các gốc tự do, hình thành gốc RS^• và gốc này kết hợp cùng gốc khác tạo ra GSSG (glutathion dạng oxy hoá). Nồng độ glutathion trong tế bào được bình ổn là do quá trình khử glutathion dạng oxy hoá (GSSG) dưới tác dụng của enzym GR (glutathion reductase) và phụ thuộc vào NADPH.

GSH  + R^•             =>        GS^•    +   RH

GSH  + ROO^•       =>        GS^•   + ROOH

2GS^•                               =>            GSSG

Nồng độ glutathion trong tế bào được giữ ổn định là nhờ tác dụng của glutathion reductase phụ thuộc NADPH khử glutathion dạng oxy hoá (GSSG). Glutathion của tế bào đóng vai trò như hệ đệm chống lại quá trình oxy hoá những phân tử protein sulhydryl (PSH), một loại đại phân tử quan trọng nhằm giữ vững những chức năng của tế bào .

- Mercaptopropionylglysin: Chất này đặc biệt có tác dụng tốt trong hội chứng thiếu máu cục bộ, tưới máu lại.

- Nacetylcystein: Vừa có tác dụng chống oxy hoá, đồng thời có tác dụng tăng sinh tổng hợp glutathion nội bào.

3.2.4. Nhóm các phối tử sắt và đồng

Ion sắt và đồng xúc tác phản ứng Fenton, tạo nên hai dạng oxy hoạt động rất độc hại cho cơ thể là gốc hydroxyl ^•OH và oxy đơn bội. Ion sắt nếu tạo được phức qua đủ 6 liên kết phối trí như trong hemoglobin, myoglobin thì không có khả năng xúc tác phản ứng trên nữa. Chúng ta đều biết trong cơ thể có nhiều protein tạo phức chelat với sắt với đủ 6 liên kết phối trí như:

          - Transferrin: là dạng protein vận chuyển sắt của huyết tương, ở người khoẻ mạnh chỉ cần huy động 20-30% lượng transferrin là đủ làm mất hoạt tính xúc tác của sắt, trong một số trường hợp quá tải sắt (hồng cầu vỡ nhiều trong huyết tán, uống thuốc chứa sắt quá nhiều, tổn thương cơ...) khi đó huyết tương không đủ transferrin và phản ứng Fenton xảy ra rất mạnh.

          - Lactoferin: Có nhiều trong các dịch sữa, các dịch (nước mắt, nước mũi, nước bọt) lactoferin làm mất hoạt tính xúc tác của sắt trong các dịch trên.

- Ceruloplasmin: Là một protein chứa đồng. Nó có khả năng tạo phức với đồng và làm mất hoạt tính xúc tác phản ứng Fenton của đồng, nó cũng oxy hoá Fe²⁺  thành Fe³⁺, ngăn cản sự tạo thành các gốc oxy hoạt động từ phản ứng Fenton.

3.2.5. Selen

          Selen là nguyên tố vi lượng. Selen có tác dụng điều trị thoái hoá hoại tử gan, được coi là nguyên tố vi lượng rất quan trọng không thể thiếu cho hệ thống bảo vệ cơ thể chống gốc tự do và có nhiều vai trò sinh học khác.

          Selen là một thành phần của nhiều enzyme, tạo ra các nhóm chức –S-Se, -S-Se-S là những trung tâm hoạt động sinh học mạnh. GPx chứa selen đặc biệt tập trung nhiều ở gan để hoá giải các chất độc. Selen là một thành phần trong SOD loại bỏ gốc tự do đặc biệt là phá huỷ H₂O₂ , dập tắt các gốc L^• , LOO^• của acid béo, bảo vệ màng tế bào và ADN. GPx chứa selen đặc biệt tập trung nhiều ở gan để hoá giải các chất độc.

          Tác dụng phối hợp của vitamin E với selen đã làm tăng khả năng miễn dịch của cơ thể lên nhiều lần, selen xúc tác cho sự tạo thành các gốc tự do bền (gốc vitamin E), coenzym Q, flavin chống lại các gốc tự do độc hại. Nguyên tố vi lượng selen giúp ngăn ngừa nhiều dạng ung thư, bảo vệ tim mạch, duy trì chức năng hoạt động tích cực của hệ miễn dịch, giải độc nhiều hoá chất. Theo các nghiên cứu người ta thấy rằng có khoảng 40% các loại bệnh tật, đặc biệt là các bệnh ung thư có thể phát sinh chỉ vì thiếu một vi lượng selen được cung cấp hàng ngày.

3.3. Mối liên quan giữa gốc tự do trong chuyển hoá của hồng cầu và sự chống oxy hoá của hồng cầu

Các chuyển hoá trong hồng cầu, phần lớn được hướng vào bảo vệ các hồng cầu chống lại sự oxy hoá. Hồng cầu là những tế bào có chứa nhiều oxy của cơ thể cho nên các cấu trúc của nó thường xuyên có nguy cơ bị oxy hoá và rất nhạy cảm với quá trình oxy hoá.

Để chống lại nguy cơ bị oxy hoá, hồng cầu có cả một bộ máy để chống lại hiện tượng này (thực hiện cơ chế khử). Các cơ chế khử của hồng cầu được thực hiện bằng một loạt phản ứng xúc tác bởi các enzym mà tác dụng thông thường của chúng là sự vận chuyển hydro đến những chất cần được khử thông qua vai trò trung gian của các coenzym.

Coenzym vận chuyển hydro có vai trò đặc biệt trong hồng cầu là NADH, được tạo ra trên con đường Embden- Mayerhoff và NADPH, được sinh ra trong quá trình đường phân hexose monophosphate với sự tham gia của 2 enzyme G6PDH và 6-phospho gluconate dehydrogenase, trong đó G6PDH là enzym mở đầu cho chu trình này. NADPH có tác dụng duy trì glutathion và hemoglobin ở trạng thái khử, nó cũng bảo vệ sự toàn vẹn của màng hồng cầu, các nhóm SH của protein, các enzym của hồng cầu và chống lại các tác nhân oxy hoá trong hồng cầu.

3.4. Liên quan giữa gốc tự do và một số quá trình bệnh lý

3.4.1. Các bệnh viêm

          Quá trình viêm luôn gắn bó chặt chẽ với các bạch cầu đa nhân trung tính và đại thực bào, cơ chế này là một chức năng có ích bảo vệ cơ thể chống lại sự tấn công của vi khuẩn.

Khi tác nhân gây viêm (vi khuẩn, dị vật...) xâm nhập vào cơ thể thì các tế bào ở đó bị kích thích tiết ra các yếu tố hoá ứng động, hấp dẫn bạch cầu đến làm nhiệm vụ thực bào. Khi tiếp xúc với vi khuẩn hoặc các tác nhân lạ, bạch cầu mọc ra các giả túc, bao lấy chúng, khi màng bao quanh đã được khép kín, ở bạch cầu có sự tăng đột ngột chuyển hoá oxy để sinh ra O₂^-, OH, H₂O₂... nhằm mục đích tiêu huỷ các tác nhân này. Để bảo vệ mình, bạch cầu cũng sản sinh ra rất nhiều các chất chống oxy hoá như SOD, GSH, catalase... song vẫn có khoảng 10% bạch cầu chết, do chính các dạng oxy hoạt động mà nó sinh ra. Khi bạch cầu bị ly giải, các gốc tự do của oxy thoát ra ngoài, tấn công vào các tế bào xung quanh, gây tổn thương làm cho sự đáp ứng kích thích của tế bào ở khu vực đó càng xảy ra mạnh hơn, những đáp ứng đó tương ứng trên lâm sàng là các triệu chứng sưng nóng đỏ đau.

Khi tác nhân là những dị vật có kích thước quá lớn so với bạch cầu, khi đó bạch cầu không đủ khả năng bao quanh dị vật, sau khi tiếp cận và cố trải rộng ra để bao lấy dị vật, nhưng vì dị vật có kích thước quá lớn, khi đó chúng phải áp sát vào dị vật và cũng bắt đầu hoạt hoá (tiêu thụ oxy, tăng chuyển hoá sinh ra nhiều các dạng oxy hoạt động), nhưng vì không tạo ra được túi thực bào nên lượng các dạng oxy hoạt động sinh ra chỉ khoảng bằng 30% so với khi bạch cầu bao khép kín quanh dị vật.

Cơ chế trong viêm là một chức năng có ích bảo vệ cơ thể chống lại sự tấn công của vi khuẩn, sự đáp ứng viêm cũng có thể không đặc hiệu và điều này có thể dẫn tới sự tiến triển của các bệnh viêm như viêm khớp, thấp khớp, viêm ruột, bệnh vảy nến. Sự sản sinh quá dư thừa các dạng ROS và gốc tự do gây nên sự oxy hoá các phân tử sinh học như trypsin, collagen, LDL, DNA và các lipid, đồng thời cũng chống lại sự biểu hiện của các gene mã hoá các protein của các quá trình viêm như proteinase, khớp, yếu tố thấp khớp gắn vào IgG. Khi nó tiếp xúc với các gốc tự do, sự gắn này kích thích sản sinh ra nhiều gốc tự do hơn và chúng tấn công vào chất nền sụn. Nồng độ thấp của vitamin, carotene và selen có liên quan đến nguy cơ tăng lên của viêm khớp, thấp khớp. Trong các bệnh lí này nồng độ selen, GPx giảm, SOD hồng cầu giảm.

3.4.2. Bệnh tim mạch

          Sự dư thừa gốc tự do đã làm tăng sự oxy hoá LDL-C và khởi đầu cho xơ vữa động mạch, dẫn đến các hiện tượng như thiếu máu cục bộ cơ tim, nhồi máu cơ tim cấp trong trường hợp trạng thái chống oxy hoá toàn phần trong cơ thể giảm thấp.

          Những bệnh tim mạch: tăng huyết áp, nhồi máu cơ tim, xơ vữa động mạch thường xuất hiện ở những người tuổi cao. Khởi đầu của vữa xơ động mạch thường là xuất hiện các đám tế bào bọt, vân mỡ ở thành trong động mạch. Sự xuất hiện các đám tế bào bọt là tiền đề tạo ra các mảng vữa xơ động mạch, chính là do các lipoprotein tỷ trọng thấp (LDL - low density lipoprotein) bị oxy hoá. LDL có vai trò vận chuyển cholesterol tới mô, tương tác với các thụ thể của LDL ở màng tế bào theo cơ chế ẩm bào và do vậy rõ ràng LDL đóng vai trò chủ yếu cung cấp cholesterol cho tế bào trong cơ thể. Số lượng các phân tử acid béo liên kết trong lipid của LDL rất khác nhau, chủ yếu là các acid béo chưa no, đó là những thành phần rất dễ bị peroxid hoá, vì thế mà trong các hạt LDL còn thấy có rất nhiều antioxidant chống lại quá trình peroxit hoá này .

          Sự oxy hoá LDL là một phản ứng mạch của quá trình peroxy hoá lipid do các gốc tự do điều khiển và chi phối. Gốc khơi mào cướp lấy nguyên tử H từ một trong các phân tử acid béo chưa no chứa trong phần lipid của hạt LDL. Gốc khơi mào lại phản ứng với các phân tử bên cạnh, lại tạo ra mạch phản ứng của quá trình peroxy hoá lipid. Nếu không có sự ngắt mạch thì các acid béo chưa no sẽ chuyển thành peroxy hoá lipid và khi đó các antioxidant có trong LDL phải tham gia vào việc loại bỏ các gốc và dập tắt các phản ứng peroxit hoá lipid này.

          Nếu các gốc tự do của oxy xuất hiện nhiều, các chất antioxidant mất dần, quá trình peroxy hoá lipid xảy ra mạnh, tích tụ nhiều các sản phẩm như MDA (manol dialdehyd), 4- HNE (4 hydroxynonenal)... là những sản phẩm bền có độc tính cao và sau đó các đại thực bào nhận ra, thâu tóm và hình thành các tế bào bọt. Mặt khác LDL đã bị oxy hoá cũng có thể trầm lắng xuống thành động mạch, giải phóng ra những chất kích ứng tế bào thành trong, kéo bạch cầu đến làm nhiệm vụ thực bào, và chính những túi thực bào này phát triển thành tế bào bọt, và khi những tế bào này chết đi sinh ra những vệt vân mỡ, những vân này có thể phát triển thành những mảng vữa xơ.

Trong một số nghiên cứu thấy rằng, hoạt độ SOD trong máu giảm, tỷ lệ nghịch với chức năng của tâm thất trái, do đó SOD được dùng làm chỉ thị để theo dõi tổn thương cơ tim do thiếu máu cục bộ. Nếu nồng độ selen và hoạt tính GPx thấp ở những bệnh nhân bị mạch vành, cơ tim thì nguy cơ tử vong cao. Những bệnh nhân thiếu hụt Se, GPx, nếu được điều trị bổ xung thêm Se sẽ giảm được mắc bệnh tim mạch hoặc xơ vữa động mạch.

3.4.3. Bệnh ung thư

          Cho dù tác nhân gây ung thư có bản chất khác nhau nhưng hậu quả chung khi vào cơ thể chúng đều làm tăng các dạng oxy hoạt động, và sự tác động của chúng liên quan với sự xuất hiện ung thư ở cơ quan nào, thời điểm nào phụ thuộc vào tình trạng antioxidant ở các cơ quan tổ chức đó, mức độ đột biến gen điều hoà phát triển của tế bào, ở mỗi cơ quan và cơ thể khác nhau .

          Gốc tự do là tác nhân gây đột biến gen ở các giai đoạn khơi mào, xúc tiến, chuyển thành ác tính trong ung thư. Nó không chỉ gây tác dụng đột biến khi tấn công vào các ADN mà còn đồng thời tấn công vào các tổ chức màng, các chất sinh học trong tế bào... và nó góp phần làm cho thảm cảnh lâm sàng của bệnh nhân ung thư ngày càng trầm trọng.

          Khi theo dõi nồng độ GPx và nồng độ selen trong máu thấy rằng có sự gia tăng ung thư trong trường hợp thiếu hụt Se. Trong một số bệnh bạch cầu thấy SOD tăng cao, nhưng trong một số ung thư các phủ tạng không thấy tăng SOD. trạng thái chống oxy hoá toàn phần (TAS) giảm ở những bệnh nhân ung thư.

3.4.4. Bệnh thần kinh

          Não chỉ chiếm 2% trọng lượng cơ thể nhưng sử dụng tới 20% lượng oxy tiêu thụ và trong não cũng chứa nhiều acid béo chưa bão hoà có nhiều nối đôi nên nó tương đối nhạy cảm với quá trình oxy hoá, stress oxy.

          Bệnh Alzheimer: liên quan đến sự mất neuron thần kinh, lộn xộn thần kinh, lắng đọng protein vô định hình... vitamin E, vitamin C trong máu giảm ở những bệnh nhân này, TAS tăng cao hơn ở người bình thường. Bệnh nhân tâm thần phân liệt lại thấy SOD hồng cầu tăng, GPx giảm.

          Trong bệnh Parkinson: dopamin được chuyển hoá trong dịch bào và gây nên sự sản sinh H₂O₂ biến đổi thành ^•OH có độc tính cao, gây tổn thương các tế bào thần kinh hệ dopaminergic. Sự tăng peroxid hoá lipid, tăng sắt, tăng sản xuất các gốc ROS và giảm glutathion dạng khử được phát hiện trong chất xám của bệnh nhân Parkinson.

3.4.5. Quá trình lão hoá

          Sự sản sinh các gốc tự do có hoạt tính cao gây nên các tổn thương ngẫu nhiên với các ADN, ARN, protein (trong đó có các enzyme), đặc biệt là các acid béo không bão hoà, phospholipid ở lớp lipid kép của màng tế bào. Các tổn thương này gây rối loạn chức năng của các cấu trúc tế bào, được tích luỹ dần dẫn đến sự lão hoá tế bào và chết tế bào. Người ta tin rằng gốc tự do là thủ phạm gây ra quá trình lão hóa, sử dụng bổ xung các chất chống gốc tự do thường xuyên như Glutathion Reduced, Cardi-enzyme Co-Q10, các vitamin C, E...giúp ngăn chặn quá trình lão hóa.

          Tuổi già là một quá trình tích luỹ các biến đổi gây nên bởi những thiếu sót về gene, bởi những yếu tố môi trường ô nhiễm và các quá trình bệnh tật... Một nhân tế bào người ước tính phải trải qua 10.000 va chạm của gốc tự do mỗi ngày, và người ta cũng thấy rằng tuổi càng cao thì hoạt độ các enzyme SOD, GPx, nồng độ các chất chống oxy hoá, trạng thái chống oxy hoá toàn phần càng giảm. Do vậy việc theo dõi các chất chống oxy hoá một cách định kỳ là hết sức cần thiết trong việc phòng chống lão hoá và các bệnh lý khác.

4. Một số thuốc và thực phẩm chức năng có giá trị ứng dụng hiện nay

Có thể nói, trong 10 năm trở lại đây, rất nhiều chế phẩm có khả năng chống etress oxy hóa (chống gốc tự do) được giới thiệu và sử dụng có hiệu quả để phòng và chữa bệnh, nâng cao sức khỏe cho con người. Phạm vi ứng dụng rất rộng rãi.

        - Phòng ngừa nhiễm độc do tác động của rất nhiều hóa chất độc hại  khác nhau trong đó có cả do khói thuốc lá, rượu , bia, các hóa chất trừ sâu... và đặc biệt trong công nghiệp hóa chất...

         - Trong điều trị nhiễm độc cấp tính, mạn tính.

         - Trong phòng ngừa và chống nhiễm khuẩn.

         - Trong việc hạn chế tác dụng của phóng xạ.

         - Để nâng cao sức đề kháng chung và đề kháng miễn dịch của cơ thể.

         - Hạn chế tốc độ lão hóa, kéo dài sức trẻ và tuổi trẻ (chống lão hóa).

         - Trong phòng và điều trị ung thư.

         - Phòng  và điều trị các bệnh xơ mỡ động mạch, tiểu đường, tăng huyết áp, tai biến mạch máu não...

         - Chống nám da, hạn chế rụng tóc khá hữu hiệu.

         - Làm liền sẹo nhanh, mềm sẹo, hạn chế sẹo lồi tốt, nên được dùng khá rộng rãi sau phẫu thuật, đặc biệt là phẫu thuật tạo hình.

Với phạm vi sử dụng rộng rãi, hiệu quả được các nhà khoa học đánh giá là hết sức rõ ràng, nên các chế phẩm chống oxy hóa (chống gốc tự do) được xã hội tin dùng.

Dưới đây là một số sản phẩm chính được giới thiệu trên thị trường:

- Cardi-enzyme (Co-Q10). Viên 30mg (thuốc có nguồn gốc từ Mỹ)

- Glutathion. Viên 500mg

- Belaf (thuốc từ Hàn Quốc)

- Selen (thuốc từ CHLB Đức)

Hai loại thuốc này đều chứa các chất: Selenium + Vitamin E + VitaminC + Beta-caroten. Đây là thuốc được nghiên cứu kỹ và đánh giá cao của các nhà khoa học, được ứng dụng đặc biệt rộng rãi và được coi là thuốc chống Oxy hóa điển hình hiện nay có trên thị trường.

- Procell là chế phẩm có chứa Selenium. 

- Naturenz được chiết suất từ nhiều loại thực vật. 

- Các chế phẩm có chúa Flavonoid. 

- Dịch chiết cây trinh nữ hoàng cung. 

- Sâm Ngọc linh và sâm Ngoc linh sinh khối.

- Nhiều loại rau quả có tác dụng chống oxy hóa tốt có thể sử dụng như: gấc, cà chua, cà rốt, tỏi  và một số lọa xúp lơ.

           Kết luận

          Trong điều kiện bình thường, các gốc tự do luôn luôn có sự sản sinh trong cơ thể. Các gốc tự do nội sinh cũng rất cần thiết cho quá trình tổng hợp cũng như phân huỷ các chất trong chu trình chuyển hoá của tế bào. Do gốc tự do có hoạt tính sinh học rất mạnh, nên nếu tăng quá mức cho phép sẽ gây ra những tổn thương tế bào làm phát sinh nhiều bệnh bệnh lý phức tạp. Chính vì thế mà trong cơ thể chúng ta hình thành hệ thống chất chống oxy hoá (antioxidant) có vai trò khử các chất oxy hoá và gốc tự do gây độc hại đến tế bào.

          Hệ thống đó là các chất có bản chất enzym và các chất không có bản chất enzyme nhằm tự bảo vệ cơ thể khỏi những tác nhân tấn công của các gốc tự do. Tất cả các nguyên nhân làm cho gốc tự do sinh ra ồ ạt, dẫn đến hệ thống tự bảo vệ không “thu dọn” hết, tất yếu làm phát sinh các rối loạn và tổn thương bệnh lý như rối loạn cấu trúc màng tế bào, giảm hoạt động enzym gắn với màng (trong và ngoài) làm thay đổi cấu trúc receptor bề mặt tế bào, biến đổi các cấu trúc acid nucleic, protein, bất hoạt các enzyme như dehydrogenase, polymerase, adenylcyclase. Do đó gốc tự do có liên hệ mật thiết và có tính nhân quả với nhiều quá trình bệnh lý và làm lão hóa cơ thể.

          Việc sử dụng các chất chống oxy hoá như vitamin E, vitamin C, caroten, selen, sâm ngọc linh.... trong điều trị cũng như dự phòng, có tác dụng nâng cao chất lượng cuộc sống, chống lão hoá, kéo dài thời gian sống khoẻ mạnh và không bệnh tật, làm chậm quá trình lão hóa.

 

Nguồn:

1. Nguyễn Liễu, Nguyễn Bá Vượng. Gốc tự do và hệ thống chống oxy hóa. http://www.benhviencuadong.vn

2. Bách khoa toàn thư mở Wikipedia. Chuỗi chuyển điện tử

3. Wikipedia, bách khoa toàn thư miễn phí. Radical (hóa học)

4. Bruce Alberts; Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter (2008). Molecular Biology of the Cell . Garland Science, Taylor & Francis Group. ISBN 978-0-8153-4106-2. 

5. Harvey Lodish; Arnold Berk, Paul Matsudaira, Chris A. Kaiser, Monty Krieger, Matthew P. Scott, Lawrence Zipursky, James Darnell (2003). Molecular Cell Biology . ISBN 0716743663. 

6.  Karp, Gerald (2008). Cell and Molecular Biology (5th edition). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons. tr. 194. ISBN 10-0-470-04217-6. 

7.  Murray, Robert K.; Daryl K. Granner, Peter A. Mayes, Victor W. Rodwell (2003). Harper's Illustrated Biochemistry. New York, NY: Lange Medical Books/ MgGraw Hill. tr. 96. ISBN 0-07-121766-5. 

    

    

     

---

CHIA SẺ BÀI VIẾT